Почему конденсаторы класса 2 перегреваются: коэффициент диффузии в зависимости от напряжения

Почему конденсаторы класса 2 перегреваются: коэффициент диффузии в зависимости от напряжения

Резюме

Керамический конденсатор показывает коэффициент рассеяния 0.2% на измерителе LCR, а затем нагревается до температуры выше 80 °C в генераторе на 120 кВ. Значение, указанное в технической документации, получено при измерении 1 В среднеквадратичного значения и не описывает потери при 2 кВ/мм. В данной статье рассматриваются три механизма потерь, лежащие в основе увеличения этих потерь, методы измерения коэффициента рассеяния в рабочей точке и правила запаса прочности, позволяющие удерживать компонент в пределах его теплового номинала.

1. Введение

Конденсатор показывает коэффициент рассеяния 0.2% на LCR-метре при напряжении 1 В среднеквадратичного значения. При установке в генератор класса 120 кВ его корпус нагревается до 80 °C в течение получаса и может сработать тепловая защита. Деталь соответствует техническим характеристикам. Измеренное напряжение было значительно ниже рабочего напряжения.

Коэффициент рассеяния керамического конденсатора изменяется в зависимости от напряженности приложенного поля, которая равна напряжению, деленному на толщину диэлектрика. Значения коэффициента рассеяния, указанные в технических характеристиках, получены в результате испытаний на малом сигнале при напряжении 1 В среднеквадратичного значения, поэтому они описывают потери при этом уровне сигнала и при любых значениях выше него.

При напряжении 2 кВ/мм и выше реальная диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектрика класса II достигает 5–16-кратного значения по сравнению с низковольтным показателем. Самонагрев масштабируется с тем же коэффициентом, поэтому запас по тепловому напряжению, рассчитанный на основе значения из технической документации, оказывается на порядок меньше. В результате конструкция оказывается неработоспособной на стенде, а не в полевых условиях.

В данной статье рассматриваются механизмы потерь, лежащие в основе увеличения этих потерь, методы измерения и оценки рабочей точки, а также правила определения запаса прочности, позволяющие поддерживать температуру конденсатора ниже 80% от его номинальной диэлектрической температуры.

2. Основной механизм

2.1 Три составляющие потерь в tanδ

Коэффициент рассеяния керамического конденсатора добавляет три механизма потерь:

tanδ_total = tanδ_conduction + tanδ_dipole + tanδ_interface

где tanδ_conduction — потери проводимости из-за тока утечки и движения ионов примеси, tanδ_dipole — потери диполя и переключения доменов, а tanδ_interface — потери из-за накопления заряда на границах электродов, границах зерен и пустотах.

При напряженности поля ниже 100 В/мм преобладают потери проводимости и потери на границе раздела фаз, а общая величина потерь остается небольшой. При напряженности поля выше 1 кВ/мм дипольные и межфазные составляющие возрастают, и кривая дипольного момента поля поворачивает вверх пропорционально напряженности поля.

2.2 Насыщение диполей и движение доменных стенок

В сегнетоэлектрической керамике II класса, такой как X7R и Y5V, содержатся спонтанно поляризованные домены. При низком поле домены переориентируются лишь незначительно, поэтому потери остаются низкими. По мере приближения поля к коэрцитивному, доменные стенки перемещаются в большем объеме, и трение о стенки преобразует это движение в тепло. В этот момент коэффициент потерь достигает значения в 5–10 раз превышающего значение при низком напряжении.

2.3 Потери на проводимость возрастают с увеличением поля.

Проводимость в диэлектрике возрастает с увеличением напряженности поля быстрее, чем линейно:

σ(E) ≈ σ_0 · exp(β · E)

где σ_0 — проводимость при слабом поле, β — коэффициент поля, E — напряженность приложенного поля, а σ(E) — проводимость при поле E. Повышение поля с 0.5 кВ/мм до 2 кВ/мм изменяет проводимость на один-два порядка, и член потерь, связанный с проводимостью, следует за этим изменением.

2.4 Эффективная DF при рабочем напряжении

Частичный разряд в пустотах, на границах зерен и поверхностях инкапсуляции добавляет еще один член диссипации. После начала разряда кривая DF показывает ступенчатую форму вместо плавного наклона. Измерения проводились на детали X7R с напряжением 10 кВ и толщиной диэлектрической стенки 2 мм: 0.5% при 1 В среднеквадратичного значения, 2.5% при постоянном напряжении смещения 5 кВ и 6–8% при постоянном напряжении смещения 8 кВ.

Увеличение следует эмпирической квадратичной зависимости от рабочего напряжения:

DF_eff(V) = DF_0 · [1 + k1 · (V / V_rated) + k2 · (V / V_rated)²]

где DF_0 — коэффициент рассеяния при низком напряжении, k1 и k2 — подобранные коэффициенты, V — приложенное напряжение, а V_rated — номинальное напряжение. Детали класса X7R подходят для k2 в диапазоне 5–10. Детали класса I без доменов подходят для k2 в диапазоне 0.01–0.05, что делает всю кривую практически плоской.

Керамика класса I, такая как N4700, не является сегнетоэлектрической, поэтому в ней отсутствует термин, описывающий переключение доменов. Кривая зависимости диэлектрической проницаемости от напряжения остается плоской во всем рабочем диапазоне, а HVC N4700 удерживает изменение напряжения менее чем на 0.05 процентных пункта от 0 В до номинального напряжения.

Рис. 1 — Микросхема X7R с напряжением 10 кВ показывает погрешность 0.5% при 1 В среднеквадратичного значения и 6–8% при напряжении смещения 8 кВ, в то время как микросхема класса I N4700 удерживает изменение в пределах 0.05 пункта.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Заявленное в технической документации повышение температуры оказывается слишком низким.

Инженеры оценивают нагрев конденсатора по формуле P = 2πfCV²·DF и подставляют значение DF из технической документации. Конденсатор емкостью 470 пФ и напряжением 2 кВ при частоте 100 кГц вырабатывает реактивную мощность 1.18 кВАр, поэтому значение DF из технической документации, равное 0.2%, предсказывает 2.4 Вт. В рабочей точке реальное значение DF достигает 2%, что дает 24 Вт. При тепловом сопротивлении 5 °C/Вт повышение температуры увеличивается с 12 °C до 118 °C.

Проблема 2: тепловой разгон достигает полной мощности.

Коэффициент защиты класса II также повышается с повышением температуры, что замыкает петлю положительной обратной связи: высокое напряжение увеличивает потери, потери повышают температуру, температура повышает коэффициент защиты, и коэффициент защиты снова увеличивает потери. Петля замыкается во время воздействия полной мощности, что происходит именно во время обследования пациента. В этом случае срабатывание защиты прерывает клиническую работу и может оставить другие компоненты подверженными кратковременному перенапряжению.

Проблема 3: Без измерения коэффициента диффузии при высоком напряжении выбор делается наугад.

Стандартный LCR-метр показывает только значение слабого сигнала. Специализированный высоковольтный мостовой измеритель измеряет параметры в рабочей точке, но его стоимость превышает возможности многих малых и средних производителей. В этом случае выбор основывается на данных из технической документации и на опыте, а реальные потери остаются неизвестными до тех пор, пока устройство не начнет нагреваться.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Используйте эффективный файл данных, а не файл данных из технической документации.

Замените значение из технической документации на эффективное значение коэффициента детерминации (DF) при рабочем напряжении и частоте. Эффективное значение учитывает зависящие от поля потери проводимости, потери в доменах и любой вклад частичного разряда. Это единственное значение, которое необходимо учитывать при расчете самонагрева.

Стратегия 2: Измерение DF в рабочей точке.

Три маршрута дают DF_eff(V) в порядке возрастания неопределенности:

• Специализированный высоковольтный мост. Измерение непосредственно при заданном напряжении и частоте. Это обеспечивает данные с минимальной погрешностью.
• Метод мощности. Измерьте напряжение на конденсаторе V, ток I и фазовый угол φ, затем вычислите DF_eff = tan(90° − φ).
• Обратный расчет повышения температуры. Измерьте установившееся повышение ΔT, определите потери мощности (P_loss) по тепловому сопротивлению R_th и вычислите значение DF_eff.

Стратегия 3: Рассчитайте повышение температуры, исходя из реальных потерь.

Самонагрев в рабочей точке составляет:

P_loss = 2π · f · C · V² · DF_eff(V)

где f — рабочая частота, C — емкость, V — приложенное среднеквадратичное напряжение, а DF_eff(V) — эффективный коэффициент рассеяния при этом напряжении.

Повышение температуры происходит вследствие термического сопротивления:

ΔT = P_loss · R_th

где R_th — тепловое сопротивление конденсатора в °C/Вт, полученное от производителя или по результатам измерений. Размеры конструкции следует рассчитывать таким образом, чтобы внутренняя температура в наихудшем случае оставалась ниже 80% от номинального значения диэлектрической проницаемости. Конденсатор N4700 рассчитан на температуру до 125 °C, что устанавливает расчетный предел в 100 °C.

Стратегия 4: Выберите диэлектрик с плоской кривой зависимости диэлектрической проницаемости от напряжения.

Датчики класса I N4700 поддерживают коэффициент защиты практически постоянным во всем диапазоне рабочего напряжения, поэтому расчет повышения температуры верен и обратная связь не образуется. Цена за единицу выше, чем у аналогичных датчиков класса II той же стоимости. Стоимость за весь жизненный цикл не меняется, поскольку срабатывание защиты во время клинического обследования обходится гораздо дороже, чем разница.

Стратегия 5: Провести испытание на старение при высоком напряжении и контролировать коэффициент диффузии.

В ходе квалификационных испытаний деталь должна быть протестирована при напряжении, в 1.2–1.5 раза превышающем номинальное, номинальной частоте и максимальной температуре окружающей среды в течение заданного времени, при этом должны быть зарегистрированы коэффициент диффузии (DF) и повышение температуры. Повышение коэффициента диффузии более чем на 20% во время испытаний указывает на дефект материала или процесса и дисквалифицирует партию.

Для оборудования, находящегося в эксплуатации, измеряйте ток в конденсаторе с помощью шунта с низкой индуктивностью, например, резистор для измерения тока HVRGHPи сравните форму сигнала с базовым уровнем ввода в эксплуатацию. Увеличение амплитуды тока при постоянном напряжении (кВ) указывает на увеличение эффективного коэффициента демпфирования.

Стратегия 6: Проверить запас по температуре путем измерений.

Запустите устройство при максимальной нагрузке на 2 часа, используя термопару или ИК-камеру на корпусе конденсатора, и регистрируйте повышение напряжения до стабилизации. Сравните измеренное значение с расчетным. Измеренное повышение более чем на 20% выше, чем у модели, означает, что эффективная частота сдвига в рабочей точке выше, чем предсказанная модель, и деталь нуждается в проверке.

Параметр компонента	Типичное значение	Условие теста
Номинальное напряжение (серия HVCT8G)	10 кВ постоянного тока	высоковольтный режим 1.5× в течение 60 с
емкость	4700 пФ ±20% (472М)	1 МГц, 1 В среднеквадратичное значение
ЭПР на частоте 1 МГц	ниже 50 мОм	-
Индуктивность петли (хорда E40)	ниже 8 нГн	Расстояние между клеммами: 40 мм
сопротивление изоляции	сопротивление выше 10 ГОм при напряжении 500 В постоянного тока	25 ° C, 60% относительной влажности
Диапазон температур	от −40 °C до +125 °C	Серия МЭК 60068-2
Возможность импульсного DV/DT	выше 50 кВ/мкс	при номинальном напряжении

5. Конденсаторы HVC для плоской кривой зависимости коэффициента заполнения от напряжения.

Кривая остается плоской, когда диэлектрик не содержит ферроэлектрических доменов, а инкапсуляция не содержит пустот. Компания HVC производит Диэлектрик класса I N4700 Для обоих вариантов используется собственное производство площадью 6,000 м² в Дунгуане, охватывающее диапазон напряжений от 1 кВ до 150 кВ.

Для расположения резонансного резервуара и фильтра, Конденсаторы дверной ручки HVCT8G Покрытие 10 кВ постоянного тока при 4700 пФ с эквивалентным последовательным сопротивлением ниже 50 мОм, что позволяет снизить потери циркулирующего тока.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Изменение коэффициента DF составляет менее 0.05 процентных пунктов от 0 В до номинального значения. Неферроэлектрический диэлектрик класса I не имеет потерь на переключение доменов, поэтому потери при 120 кВ и 100 кГц соответствуют измерениям при низком напряжении.
• Коэффициент потерь ниже 0.1% при 100 кГц и номинальном напряжении. Небольшой коэффициент потерь обеспечивает широкий запас по температуре при полной мощности и предсказуемую температуру корпуса.
• Изменение коэффициента диффузии составляет менее 0.1% при 85 °C и номинальном напряжении. Цепочка обратной связи от напряжения к потерям и температуре прерывается, поэтому тепловой разгон в конце длительной экспозиции не возникает.
• Частичная разрядность ниже 5 пКл при напряжении в 1.5–2 раза превышающем номинальное. Вакуумная очистка удаляет пустоты, которые увеличивают потери на границе раздела фаз и запускают стадию диэлектрической проницаемости при высоком поле.
• Измеренные вольт-амперные характеристики ключевых моделей, полученные при рабочем напряжении и частоте, а не экстраполированные из данных 1 В среднеквадратичного значения.
• Коэффициент k2 в подобранной модели составляет 0.01–0.05, тогда как для X7R — 5–10. Таким образом, оценка, полученная на этапе проектирования, остается в пределах 10% от результатов стендовых измерений.

Скоординированные компоненты

Выпрямительный каскад добавляет свои собственные потери к тому же тепловому пути. Быстровосстанавливающиеся высоковольтные диоды Благодаря короткому времени обратного восстановления сокращаются потери при переключении, возникающие вблизи конденсатора.

Положения демпфирующих и гасящих колебаний

В тех случаях, когда топология требует наличия демпфирующего контура параллельно выпрямителю, HVR-BSP толстопленочный резистор поглощает энергию восстановления, не добавляя в схему длинный индуктивный контур.

Прямая замена

Микросхемы HVC N4700 соответствуют электрическим параметрам, размерам корпуса и характеристикам высоковольтного разряда. Vishay HVCC, KEMET, Murata DHS/DHR и TDK UHV/FHV, используются в крупносерийном производстве высоковольтных генераторов для производителей медицинского оборудования, входящих в список Fortune 500.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты поставляются в течение 4–8 недель, а комплекты, изготовленные на заказ с учетом характеристик DF, — в течение 6–10 недель, в то время как для указанных выше брендов этот срок составляет 20–30 недель. Инженеры-технологи HVC оказывают поддержку в расчете повышения температуры, подгонке модели напряжения DF и оценке риска теплового разгона.

Отправьте рабочее напряжение, частоту, емкость и профиль окружающей среды. HVC вернет кривую зависимости коэффициента затухания от напряжения, измеренную в рабочей точке, расчет повышения температуры и комплект для оценки с двумя образцами в течение пяти рабочих дней.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Почему значение DF, указанное в технической документации, намного ниже, чем измеренные мной потери?

Поскольку значение, указанное в техническом описании, получено при тестировании с малым сигналом 1 В среднеквадратичного значения, при таком уровне сигнала напряженность поля в диэлектрике близка к нулю, поэтому дипольный и проводимостный составляющие остаются малыми. При напряженности поля 2 кВ/мм и выше оба параметра возрастают, и реальная дипольная характеристика компонента класса II достигает значения, в 5–16 раз превышающего значение, указанное в техническом описании.

В2: Как получить эффективную глубину резкости для моей рабочей точки?

Измерьте или смоделируйте это. Специальный высоковольтный мост считывает DF непосредственно при целевом напряжении и частоте. Метод мощности вычисляет DF_eff = tan(90° − φ) из напряжения, тока и фазового угла. Метод повышения температуры вычисляет потери из ΔT и теплового сопротивления. Подогнанный квадратичный коэффициент DF_eff(V) = DF_0·[1 + k1·(V/V_rated) + k2·(V/V_rated)²] расширяет измеренные точки по всему диапазону напряжений.

В3: До какого температурного предела следует доводить проектирование?

Диэлектрическая проницаемость ниже 80% от максимального значения при наихудшем сочетании напряжения, частоты и температуры окружающей среды. N4700 рассчитан на температуру до 125 °C, поэтому расчетный предел составляет 100 °C. Этот запас покрывает неопределенность в R_th и в модели DF, которые увеличиваются при высоких значениях магнитного поля.

Вопрос 4: Могу ли я просто уменьшить номинальную мощность конденсатора вместо измерения коэффициента диффузии?

Снижение номинального напряжения помогает, поскольку потери уменьшаются с ростом V², а кривая коэффициента снижения мощности остается плоской ниже 1 кВ/мм. Однако это не устраняет необходимости в тепловом расчете, поскольку потери возрастают с частотой и с реактивной мощностью 2πfCV². Без значения коэффициента снижения мощности для рабочей точки коэффициент снижения мощности не имеет под собой оснований.

Вопрос 5: Почему деталь класса II подвержена тепловому разгону, а деталь класса I — нет?

Коэффициент демпфирования класса II возрастает с температурой, поэтому потери и температура взаимно усиливают друг друга: чем больше потери, тем больше тепла, а чем больше тепла, тем выше коэффициент демпфирования. Как только выделяемое тепло превышает допустимый уровень для корпуса, контур не имеет стабильной рабочей точки. Коэффициент демпфирования класса I N4700 очень мало изменяется с температурой, поэтому коэффициент усиления контура остается ниже единицы, и состояние корпуса стабилизируется.

В6: Что показывает коэффициент k2 на этапе проектирования?

Он определяет, насколько возрастает коэффициент потерь (DF) в диапазоне от 0 В до номинального напряжения. Для компонентов X7R подходит коэффициент k2 от 5 до 10, поэтому потери при номинальном напряжении в несколько раз превышают значение при низком напряжении. Для N4700 подходит коэффициент k2 от 0.01 до 0.05, что позволяет получить оценку с точностью до 10% от результатов стендовых измерений и обеспечивает надежность расчета повышения температуры.

7. Рекомендации

1. IEC 60601-1:2005+AMD1:2012, Медицинское электрооборудование — Часть 1: Общие требования к базовой безопасности и основным рабочим характеристикамЖенева: МЭК, 2012.
2. МЭК 60601-2-54, Медицинское электрооборудование — Часть 2-54: Особые требования к базовой безопасности и основным рабочим характеристикам рентгеновского оборудования для рентгенографии и рентгеноскопии.Женева: МЭК, 2018.
3. МЭК 60384-8, Неподвижные конденсаторы для использования в электронном оборудовании — Часть 8: Неподвижные конденсаторы с керамическим диэлектриком, класс 1Женева: МЭК, 2015.
4. МЭК 60270, Методы высоковольтных испытаний — Измерения частичных разрядовЖенева: МЭК, 2015.
5. Эриксон Р.В. и Максимович Д., Основы силовой электроники, 3-е изд. Чам: Спрингер, 2020.
6. Мохан, Н., Унделанд, Т.М., и Роббинс, В.П. Силовая электроника: преобразователи, применение и дизайн, 3-е изд. Хобокен, Нью-Джерси: Wiley, 2003.
7. К. Ориа, А. Ортис, Д. Ферреньо, И. Карраскаль и И. Фернандес, Современный обзор характеристик целлюлозных диэлектрических материалов в силовых трансформаторах: механический отклик и старение.IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, vol. 26, no. 3, pp. 939-954, 2019. https://doi.org/10.1109/tdei.2019.007896
8. Разработка высокоемкостных и высоковольтных многослойных керамических конденсаторов BME X7R.KEMET Electronics (Материалы конференции CARTS USA 2011), https://www.mouser.jp/pdfdocs/2011-03CARTS-DevelopmentofHighCapacitance-HighVoltageBMEX7RMLCCapacitors.pdf .
9. Л. Чжэн, Л. Чжу, Дж. Лю, З. Ди и С. Цзи, Самовосстанавливающиеся свойства металлизированных материалов Пленочный конденсатор при постоянном и переменном наложенном напряжении с гармониками, в сборнике трудов конференции IEEE по электрической изоляции и диэлектрическим явлениям (CEIDP), стр. 175-178, 2022. https://doi.org/10.1109/ceidp55452.2022.9985286
10. ГБ/Т 17702-2021, 电力电子电容器 (Конденсаторы для силовой электроники). Пекин: 国家市场监督管理总局, 2021 г.
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Технические ресурсы по высоковольтным керамическим конденсаторамhttps://www.hv-caps.com